Методика оценки несущей способности элементов композитных конструкций на основе модели деструкции материала

Рассмотрена задача об определении предельной нагрузки для композитных пластин. Необходимость проведенного исследования вызвана рядом причин. Во-первых, композит имеет различные прочностные характеристики на растяжение и сжатие, причем они различны в разных направлениях. Кроме того, прочность на сдвиг не связана с прочностью на растяжение или сжатие. Во-вторых, для композитных конструкций не применима теория предельного равновесия, которая использует модель идеально-пластического тела. В-третьих, известные подходы (например, метод деградаций в программном комплексе ANSYS) обычно приводят к появлению концентрации напряжений, что сильно занижает несущую способность. Кроме того, некоторые методы не всегда позволяют найти предельную нагрузку.

Предложена методика, основанная на использовании модели, которая исходит из представления, что деструкция материала уменьшает его жесткостные характеристики. Эта модель является альтернативой классическим подходам определения предельной нагрузки. Считается, что получаемая диаграмма «напряжение – деформация» гладкая, но имеет экстремум. При этом ее ниспадающая ветвь имеет горизонтальную асимптоту. Это позволяет избежать появления концентрации напряжений и всегда получать предельную нагрузку. При этом какие-либо критерии прочности не используются. Апробация предложенного подхода проведена численно методом конечных элементов (МКЭ) в двумерной постановке на примере расчета пластины с болтовым соединением при кинематическом нагружении. Для решения нелинейной задачи использованы два подхода. Первый основан на методе последовательных догружений, второй – на методе последовательных приближений. Проведены вычислительные эксперименты для анализа влияния параметров численных методов, геометрических и механических характеристик болтового соединения на его несущую способность.

1. Сорокина И.И., Астахов М.В. Исследование влияния формы крепежного элемента на прочность соединения «металл-композит» // Наука и образование: науч. изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 2. 9 с.

2. Глебова М.А, Гришин В.И., Гусева Н.В. Исследование видов разрушения болтовых соединений слоистых композитов // Учен. зап. ЦАГИ. 2022. Т. 53, № 1. С. 66–74.

3. Гоцелюк Т.Б., Гришин В.И., Коваленко Н.А. Исследование прочности болтовых соединений в слоистых композитах с использованием модели прогрессирующего разрушения // МКМК. 2016. Т. 22, № 2. С. 225–244.

4. Глебова М.А., Гришин В.И., Гусева Н.В., Дзюба А.С. Исследование концентрации напряжений в слоях металлокомпозитных соединений // Учен. зап. ЦАГИ. 2023. Т. 54, № 2. С. 83–95.

5. Еремин В.П., Больших А.А. Глобально-локальное моделирование односрезных болтовых соединений типа композит – металл и композит – композит в конструктивных силовых элементах самолета // Инженер. журн.: наука и инновации. 2020. № 5 (101). 11 с. https://doi.org/10.18698/2308-6033-2020-5-1981.

6. Шмелев Г.Н., Еремеев П.В., Файзуллина З.З., Иванова А.А. Способ использования остаточных напряжений и регулирования усилий в деформированных сквозных прогонах и фермах // Строит. констр., здания и сооруж. 2025. № 3 (12). С. 10–18.

7. Шмелев Г.Н., Галиев А.А., Файзуллина З.З., Иванова А.А., Агафонов Б.В. Анализ напряженно-деформированного состояния узла крепления облицовочных плит к направляющим профилям навесной фасадной системы // Строит. констр., здания и сооруж. 2025. № 2 (11). С. 15–21.

8. Шмелев Г.Н., Файзуллина З.З. Соединение облицовки с направляющими вентилируемой фасадной системы // Строит. констр., здания и сооруж. 2024. № 3 (8). С. 4–9.

9. Мирсаяпов Илшат Т., Минзянов Р.И., Зайнутдинов А.М. Численное исследование напряженно-деформированного состояния в зоне контакта бетона и арматуры при статическом нагружении // Изв. КГАСУ. 2023. № 3 (65). С. 122–134. https://doi.org/10.52409/20731523_2023_3_122.

10. Еремеев П.В., Шмелев Г.Н. Определение нормальных напряжений в металлических стержневых конструкциях при произвольном сочетании усилий и кручении с учетом пластических деформаций при циклическом нагружении // Изв. КГАСУ. 2024. № 1 (67). С. 135–145. https://doi.org/10.48612/NewsKSUAE/67.14.

11. Мирсаяпов Илшат Т., Гайнетдинов Р.Г., Салимзянов И.Р. Узлы сопряжения железобетонных колонн с фундаментами // Изв. КГАСУ. 2024. № 2 (68). С. 124–135. https://doi.org/10.48612/NewsKSUAE/68.11.

12. Беклемышева К.А., Петров И.Б. Моделирование разрушения гибридных композитов под действием низкоскоростного удара // Матем. моделирование. 2018. Т. 30. № 11. С. 27–43.